新景煤礦振動篩篩煤的動態(tài)影響研究

聶首維

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司）

選煤是潔凈煤利用的前提，也是潔凈煤技術(shù)中最經(jīng)濟(jì)有效的方法［1］。篩分是選煤中不可缺少的操作，振動篩可能承受由激振器引發(fā)的強(qiáng)烈激振載荷、篩體結(jié)構(gòu)的慣性載荷和篩分煤體的沖擊載荷組成的耦合載荷，這些載荷往往誘發(fā)梁斷裂或側(cè)板裂紋等結(jié)構(gòu)損傷，使其難以滿足生產(chǎn)要求［2］。

大型振動篩合理的機(jī)械設(shè)計是保證振動篩安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，通常振動篩是基于線性單自由度或非耦合的2 種自由度振動模型設(shè)計的［3］。傳統(tǒng)振動模型的機(jī)械設(shè)計主要針對空載運(yùn)行，設(shè)計的篩分能力未考慮在振動質(zhì)量內(nèi)，給煤—輸送—分層—通過篩面的動態(tài)相互作用未計入微分方程右邊的載荷項，故傳統(tǒng)的振動模型并不是絕對準(zhǔn)確的［4］。

在振動篩的工藝設(shè)計方面，可以用虛擬試驗代替物理試驗，以降低試驗成本，提高試驗效率［5-6］，篩分過程的影響可以通過篩體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)來反映，因此本文將對振動、結(jié)構(gòu)應(yīng)變等動力學(xué)特性進(jìn)行捕捉和評價。

1 振動篩篩煤裝置

該研究在CWKS1218 型振動篩上進(jìn)行振動和應(yīng)變測試（圖1），該振動篩是一種偏心塊自同步直線振動篩，具有單組超靜定網(wǎng)梁，振動方向角為45°，激振器的最大激振力和角速度分別為66 340 N 和32.5π rad/s（即16.25 Hz），減振系統(tǒng)在豎直方向的剛度系數(shù)為600.0 kN/m，整個篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的振動質(zhì)量為1 565.0 kg，篩面由方格網(wǎng)狀孔組成，孔徑尺寸為20.0 mm×20.0 mm，篩分能力為15.0～30.0 t/h，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)在空載運(yùn)行時的理論豎向加速度幅值為31.12 m/s2（根據(jù)sdof振動理論獲得）。

如圖1所示，使用了4個ICP 加速度傳感器，記為La1/Ra1 和La2/Ra2，其中L 和R 分別指振動篩沿煤流方向的左、右側(cè)板，編號代表測點，這些傳感器的測量范圍均為0～490 m/s2，分辨率為0.002 m/s2，頻率響應(yīng)范圍為0.5～8.0 kHz。將它們固定在與支承梁相連的側(cè)板的水平邊緣上，以測試篩分結(jié)構(gòu)的振動加速度幅值。由于篩體結(jié)構(gòu)的彈性變形固有頻率是為了避開激振頻率，即CWKS1218 型振動篩的16.25 Hz，因此篩體結(jié)構(gòu)完全為剛體，其振動加速度處處相同。將6個應(yīng)變片（記為Ls1～Ls3和Rs1～Rs3）分為3組，即Ls1/Rs1組、Ls2/Rs2組和Ls3/Rs3組，分別黏貼在承載梁左右兩端安裝的側(cè)板上，每組中2次測試值的平均值用于后續(xù)的應(yīng)變分析，且這些應(yīng)變片的切屑方向均與振動方向相同。該研究通過數(shù)據(jù)采集儀（INV3060A）和應(yīng)變處理儀（INV1861A）分別以5 120 Hz的采樣頻率采集加速度和應(yīng)變信號（2種信號同時采集），然后傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中，并通過數(shù)據(jù)測試軟件（DASP-V10工程版）進(jìn)行分析。

試驗篩分煤樣取自新景煤礦，分別測試篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)在空載運(yùn)行和篩分過程中的振動和應(yīng)變。由于篩分能力影響篩面上的煤量，故只考慮煤質(zhì)特性的篩分能力，在1 次篩分過程中，篩分能力為15.75 t/h；在其他煤種篩分過程中，篩分能力為17.79 t/h。

為了更直觀地預(yù)測煤體材料確實會引起附加結(jié)構(gòu)應(yīng)力，采用DEM 方法模擬篩分過程，同時采用有限元方法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）對煤體運(yùn)動引起的篩分結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析。該分析方法基于2 種軟件的通信接口，可將篩分煤體產(chǎn)生的載荷通過DEM 提取并作為破碎輸入到篩面進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。隨著煤從入料端向篩面出料端移動，煤量覆蓋范圍擴(kuò)大，對篩面造成變沖擊。篩分過程及受力演示見圖2。

由圖2（d）、（e）、（f）可見，篩面應(yīng)力逐漸增大，篩體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力也隨之產(chǎn)生并不斷增大；定性上，當(dāng)煤料開始落入篩面上時，結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要位于篩面上，應(yīng)力云圖中的下側(cè)板方向；煤料沿篩分面運(yùn)動，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加，因此在圖2（d）的側(cè)板中出現(xiàn)了一些代表較大結(jié)構(gòu)應(yīng)力的區(qū)域；在圖2（f）中，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨煤料不斷上升，覆蓋了整個篩分表面。

2 振動篩篩煤的動態(tài)影響

2.1 振動增強(qiáng)

Ra1 和La1 在空載和篩煤工況下的加速度信號對比見圖3。

由圖3 可見，空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)震動下運(yùn)行平穩(wěn)，2 個測量點的信號幾乎完全一致；但是空載運(yùn)行和篩分過程中，在穩(wěn)態(tài)篩分過程中，煤炭覆蓋在篩面上并有振動增加；隨著煤塊通過篩面或遠(yuǎn)離篩面，即篩分過程的逐漸終止，篩面上的煤塊數(shù)量減少，篩體結(jié)構(gòu)的振動增強(qiáng)減弱，回到空載狀態(tài)。

在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和篩分穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的信號中，提取了時間間隔為0.4 s 的部分信號進(jìn)行分析。如圖3所示，空載運(yùn)行時，通過對圖3的信號進(jìn)行濾波，加速度幅值為32.35 m/s2，與理論值接近；比較來自Ra1 和La1 的2 個加速度信號，可明顯發(fā)現(xiàn)加速度信號的變化過程幾乎是相同的，不同之處在于存在高頻但幅度較低的噪聲信號。實際上，在空載情況下，當(dāng)對加速度信號進(jìn)行濾波以消除噪聲時，兩者都屬于一種諧波信號，雖然2 個測量點對稱放置在承載梁的兩端，但制造誤差可能導(dǎo)致篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生擺動運(yùn)動。可以得出，來自Ra1 和La1 的2 個加速度信號可能具有不同的幅值，這種差異在空載工況下非常小，但在篩分過程中非常明顯，且篩分條件不具有規(guī)律性，而具有隨機(jī)性，這是由于篩分過程中煤粒在篩面上的隨機(jī)運(yùn)動造成的。

通過測量試驗過程中每組測試位置的2 次捕獲值的平均值，來討論支承梁兩端連接的側(cè)板上位置的動力學(xué)情況。篩分能力為15.75 t/h 的空負(fù)荷工況和煤篩分工況下Ls3/Rs3處應(yīng)變信號對比見圖4。

由圖4 可見，空載運(yùn)行時，最大應(yīng)變值為13.52 με；當(dāng)篩煤量為15.75 t/h 時，最大應(yīng)變值為15.52 με，提高了14.79%；篩分煤體增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)應(yīng)變，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)損傷發(fā)生的可能性。

針對空載運(yùn)行和篩分過程，將整體信號劃分為若干個分段，計算出每個分段的振幅，然后與該分段的初始時刻相對應(yīng)，最后繪制時幅曲線圖，定性分析應(yīng)變值隨時間的變化關(guān)系（圖5、圖6）。

由圖5、圖6 可見，各測點均存在應(yīng)變波動，Ls3/Rs3（靠近進(jìn)料端）處的應(yīng)變值始終最大，而Ls2/Rs2（緊鄰激勵位置）處的應(yīng)變值近似最小，與慣性力相比，彎曲振動引起的彎矩可以忽略不計。如圖4 所示，當(dāng)考慮篩分過程的影響時，篩分結(jié)構(gòu)的平動加速度增大，使得承重梁的振動加快，因此相應(yīng)位置的應(yīng)變值也增大。一般來說，制造精度不能保證振動篩結(jié)構(gòu)的直線運(yùn)動，附加的擺振會導(dǎo)致在出料端或入料端下方的位置產(chǎn)生比激振端更強(qiáng)烈的運(yùn)動，所以前者的應(yīng)變值略高于后者。

2.2 隨機(jī)振動

從結(jié)構(gòu)振動的角度來看，如果篩分過程能夠通過隨機(jī)振動的平穩(wěn)性檢驗得到驗證，則可以認(rèn)為篩分過程是一個平穩(wěn)隨機(jī)過程，這將對振動分析有很大幫助。根據(jù)平穩(wěn)隨機(jī)振動理論，如果實測隨機(jī)振動在時域輸出信號中的平均值波動很小，信號的峰值變化形式相對統(tǒng)一，頻率成分相對一致以及在不同時刻從一個樣本記錄中測得的均方根值是相等的，則可以定性地將實測隨機(jī)振動識別為平穩(wěn)的。由于目前采集卡的采樣頻率很高，采集的數(shù)據(jù)量很大，采用上述過程無法保證準(zhǔn)確的定性判斷。因此，在振動篩的篩分過程中，引入圓檢測法（Rdm）對振動篩時域振動信號進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗。

在篩分過程中發(fā)現(xiàn)了振動結(jié)構(gòu)的隨機(jī)振動，根據(jù)平穩(wěn)性檢驗方法，取篩分過程中測點Ra1 處豎直方向的振動加速度信號作為樣本，對于t=10 s 和fs=5 120 Hz 的實際情況，將樣本劃分為n=32 個子樣本，然后利用公式計算各樣本的標(biāo)準(zhǔn)差和它們與所有標(biāo)準(zhǔn)差的中值之間的圓周關(guān)系ψ=14.816 m/s2，見圖7。圖7中實線表示每個子樣本的均方，點線表示所有子樣本標(biāo)準(zhǔn)差的中值。點劃線上方為第1 至第3 列的實線，點劃線下方為第4列的實線，則圓周時間為第1至第3 列和第4 至第2 列，由類比法推導(dǎo)出剩下的r=15；結(jié)果表明，數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，振動篩在篩分過程中的振動可以看作是一種穩(wěn)定的隨機(jī)振動。

3 結(jié) 論

（1）與空載作業(yè)相比，篩分過程中篩體結(jié)構(gòu)的振動增大。考慮篩分過程后，篩分結(jié)構(gòu)橫向振動的增大使結(jié)構(gòu)應(yīng)變值增大了14.79%，此外額外的擺動振動導(dǎo)致了在排料端和加料端下方的位置比激振位置有更大的應(yīng)變，如此大的結(jié)構(gòu)應(yīng)變提高了結(jié)構(gòu)破壞的可能性。

（2）對振動篩在篩分過程中的隨機(jī)振動進(jìn)行分析，得到振動篩穩(wěn)定的周期振動過程。因此，這樣的振動可以用1 個樣本或幾個從實際測量中獲得的樣本來評估，以獲得全部的統(tǒng)計參數(shù)。定性上，隨著篩分能力的增加，振動的統(tǒng)計參數(shù)均有所改善。